三維場景的渲染優化

一  如何進行有效的性能評測

　  對于任何一個3D應用程式來說，追求場景畫面真實感是一個無止盡的目标，其結果就是讓我們的場景越來越複雜，模型更加精細，這必然給圖形硬體帶來極大的負荷以緻于無法達到實時繪制幀率。是以，渲染優化是必不可少的。在渲染優化之前，我們需要對應用程式性能進行系統的評測，找出瓶頸,對症下藥。對于3D應用程式來說，影響性能的十分多，同時不同的硬體配置條件下，瓶徑也會有所不同。是以，對應用程式進行有效的性能評測，不僅需要對整個渲染管線原理有深入地了解，此外借助一些評測工具能讓我們的工作事倍功半。

　　我們知道渲染流水線的速度是由最慢的階段決定首先，是以對一個3D應用程式進行評測，首先要分析影響渲染性能的瓶頸是在CPU端還是GPU端，由此來絕對我們優化的對象。由于目前的圖形加速硬體都具有強大的，這個瓶徑往往出現在CPU端，我們可以通過一些工具獲得這個資訊，如Nvidia的NVPerfHUD。在評測選項中，我們可以檢視CPU和GPU繁忙度這項，當CPU繁忙度是100%時，GPU還不是時，我們知道性能的瓶頸在CPU端，我們必須CPU端的操作，同時盡量的“喂飽”GPU，把一些費事的計算移值到GPU上，例如硬體骨骼蒙皮。當GPU端是瓶頸時，說明GPU超荷負載，有可能是因為有過多的渲染填充，也就是多邊形數量太多（目前強大的GPU使得這種情況并不多見。

　　CPU上的瓶頸産生有兩個方面，一是因為複雜AI計算或低效的代碼，二是由于不好的渲染批處理或資源管理。對于第一種情況，我們可以利用VTurn這類的工具，把應用程式中所有函數調用時間從大到小的排列出來，我們就很容易知道問題所在。對第二種情況來說，同樣利用NVPerfHUD，我們可以檢視每幀的DP數目，看看批的數量是否過多（有一個具體的換算公式），檢視紋理記憶體的數目，是否消耗了過多的顯存。利用這些工具，我們基本上能夠定位應用程式的瓶頸。在應用程式内部，編寫一個内嵌的profiler功能，能更加便利的進行評測，此外利用Lua這樣的腳本程式，讓我們運作時調試，也能提高評測的效率。

二 靜态場景優化

        靜态場景包括了地形、植被、建築物等一般不改變位置的實體集合，對它的優化是場景優化中最重主要的内容。本文就靜态場景優化的常見問題進行了探讨。

1 批的優化

        批是場景優化中的最重要的概念之一，它指的是一次渲染調用（DP），批的尺寸是這次渲染調用所能渲染的多邊形數量。每個批的調用都會消耗一定的CPU時間，對于顯示卡來說，一個批裡的多邊形數量遠達不到最大繪制數量。是以盡可能将更多的多邊形放在一個批裡渲染，以此來減少批的數目，最終降低CPU時間，是批的優化基本原則。然而事情往往不盡如人意，有些情況下原有的批會被打破，造成額外的開銷，如紋理的改變或不同的矩陣狀态。針對這些問題，我們可以采用一些方法來盡量避免它，已達到批尺寸的最大化。

（1）合并多個小紋理為一張大紋理     在某個場景中，地面上有十多種不同的植被，它們除了紋理不同外，渲染狀态都是一樣。我們就可以把它們的紋理打包成一個大紋理，再為每個植被模型指定UV，這樣我們就可以用一個渲染調用來渲染所有的物體，批的數量就從十多個降為一個。這種方法比較适合對紋理精度要求不高，面數不會太多的物體。

（2）利用頂點shader 來統一不同矩陣的情況   即使場景中的所有物體材質都一樣，如果它們的矩陣狀态不同（特别是場景圖管理的引擎），也會打碎原有的批。利用頂點shader技術可以避免這種情況，因為可以把要乘的變換矩陣通過常量寄存器傳到shader程式中，這樣統一了物體的矩陣狀态，可以放在一個批裡渲染。

2 渲染狀态管理

        渲染狀态是用來控制渲染器的渲染行為，在D3D中是setRenderState,通過改變渲染狀态，我們可以設定紋理狀态、深度寫入等等。改變渲染狀态對顯示卡來說，是個比較耗時的工作，因為顯示卡執行API必須嚴格按照渲染路徑，當渲染狀态變化時，顯示卡就必須執行浮點運算來改變渲染路徑，是以給CPU和GPU帶來時間消耗（CPU必須等待），渲染狀态變化越大，所要進行的浮點運算越多。是以将渲染狀态進行有效的管理，盡可能 減少其變化，對渲染性能影響巨大。（新六代的顯示卡Geforce8系列中将一些常見的狀态參數集存儲在顯示卡核心中，當渲染狀态狀态發生變化，可以直接讀取儲存的參數集，以消除不必要的開銷）。絕大部分的3D引擎都會按照渲染狀态對PASS進行分組渲染。

3 LOD

    LOD這個已經被人讨論爛掉的技術我就不多廢話了，簡單談談一些實際應用。地形的LOD我就不多說了，方法太多了，不過感覺目前情況下最實用的還是連鎖分片的方法。對于模型LOD，自動減面的算法，如VDPM（漸近網格子）并不少見，但是效果都很一般。正常的做法還是讓美工做低模進行替換，對于複雜場景來說，模型LOD的效果還是比較明顯的。材質LOD就需要一些技巧，例如可以将霧後的物體，包括地形等統一成一種材質，采用霧的顔色，這樣就統一了渲染狀态，至于是否要打包成一個DP就要看具體情況了（這個統一的材質最好把光照影響關掉，這也是比較費時的）。至于角色模型的LOD和普通模型LOD相類似，低模減少了頂點數，自然減少了蒙皮計算量。個人認為骨骼LOD不是特别的必要，看具體的情況。

4 場景管理的優化

       場景管理的優化包括場景分割，可見性剔除等，有很多的參考文章，這裡就不多說了，談些個人的心得。現在的室外場景一般采用quadtree或octree，當我們在性能評測時發現周遊樹的過程比較慢時，有可能有兩個原因。一是樹的深度設定的不合理，我們可以很容易尋找到一個最佳的深度。另一個原因可能是我們為太多數量 衆多，但體積很小的物體配置設定了結點，造成結點數量的備援。解決方法是把這些小物體劃分到他們所在的大的結點中。

        可見性剔除是最常見優化方法，我們常用的是視錐裁減，這也是非常有效的。視錐裁減也是許多優化方法，這裡就不詳說了。遮擋裁減也是經常被用到的方法，常見的有地平線裁減。但是在有些情況下，遮擋裁減的效果并不明顯，如當CPU使用率已經是100%時,CPU端是瓶頸，這時進行遮擋裁減計算消耗CPU時間，效果就不明顯。但是有些情況下利用一些預生成資訊的方法，降低遮擋裁減計算的複雜度,提高遮擋裁減計算的效率,對場景性能會一定的改善。

http://blog.csdn.net/rhett_graphic/archive/2007/07/08/1682805.aspx